2018年度中國稀土十大科技新聞
編者按：由中國稀土學會和包頭稀土研究院主辦，“中國稀土”網站承辦，《稀土信息》、《稀土》等媒體協辦的“2018年中國稀土十大科技新聞”日前揭曉，評選結果將在中國稀土學會網站、中國稀土網站、《稀土信息》雜志發布。此次入選的十大科技新聞是從100余篇2018年度稀土科技新聞中，經過初審、專家評審兩個階段評出。
*入選新聞排名不分先后
1.稀土單晶光纖實現mW級中紅外激光輸出
單晶光纖是一種新型高效的激光增益介質，能夠有效克服體塊晶體和玻璃光纖帶來的熱效應等瓶頸問題，未來將在高功率全固態光纖激光領域具有重大的應用價值。中科院長春應用化學研究所在多年稀土晶體設計及生長技術開發的基礎上，實現了mW級中紅外激光輸出。該成果構建了從稀土晶體基礎理論研究及新晶體結構設計，到微下拉生長技術優化、單晶光纖激光輸出的全創新鏈條。標志著我國稀土資源高附加值下游應用領域又一次原創性突破。
稀土資源利用國家重點實驗室主任薛冬峰研究員首次明確了“稀土晶體”的定義，從結晶熱力學和動力學兩方面入手構建微下拉稀土單晶光纖生長模型，利用該理論模型得出稀土單晶光纖生長中的關鍵參數。為了進一步清晰化生長界面處的化學鍵合模式，建立軌道雜化模型研究稀土離子的成鍵行為，定量關聯稀土離子配位數、配位結構和外層軌道雜化方式，用于定量計算稀土單晶光纖的生長速度。該工作創新性地利用生長界面處的化學鍵合模式解決了微觀晶體組成和稀土單晶光纖塊體材料之間的跨尺度問題，用于多尺度稀土單晶光纖生長方案的定向設計，成功生長了直徑0.5-3 mm的稀土鋁酸鹽、鎵酸鹽、硅酸鹽等系列單晶光纖，獲得了mW級中紅外激光輸出。
2.電子束刻蝕實現中空核殼結構稀土上轉換納米晶原位構筑
由于稀土上轉換納米晶具有將近紅外光轉換成短波長可見-紫外光的上轉換發光特性，同時中空核殼結構納米晶具有高比表面積及豐富可調的孔道結構等優點，在生物傳感及成像、藥物緩釋和醫學診療等方面具有廣泛的應用前景。合成中空核殼結構上轉換納米晶主要是利用硬模板法。然而，硬模板法需要先對上轉換納米晶進行二氧化硅或聚合物包覆，隨后通過選擇性腐蝕或者高溫煅燒去除模板，其合成工藝較復雜且無法實現在襯底上原位構筑中空核殼結構納米晶，從而大大限制了其應用范圍。
通過在稀土上轉換納米晶表面外延生長均勻包覆同質殼層通常被認為是減少原有納米晶表面缺陷密度，提高上轉換發光效率的一種有效策略。然而，對于同質包覆核殼結構上轉換納米晶核殼界面結構尤其是界面缺陷是否被顯著抑制等基礎問題尚缺乏深入的實驗研究。在國家自然科學基金杰出青年科學基金、科技部“973”計劃、中國科學院戰略性先導科技專項和創新國際團隊等的支持下，中科院福建物質結構研究所功能納米結構設計與組裝重點實驗室陳學元研究小組和王元生研究小組合作，通過電子束輻照核殼結構稀土上轉換納米晶發現同質包覆核殼結構納米晶其內核與殼層界面處依然存在大量晶體缺陷，并且該界面缺陷濃度甚至高于內核中體相缺陷的濃度。在此基礎上，利用這種界面缺陷調控，借助電子束刻蝕首次實現了在碳膜襯底上原位構筑中空核殼結構稀土上轉換納米晶。在一定功率密度的電子束輻照下，預先沉積于碳膜襯底上的核殼結構稀土上轉換納米晶由實心球體快速轉變為中空核殼結構，整個過程在30秒內即可完成，并且中空核殼結構納米晶依然保持原有的晶體結構。通過對納米晶由實心向中空核殼結構轉變過程的原位透射電鏡觀察，并結合理論模型分析，研究人員進一步揭示了該中空核殼結構形成的微觀機制：當納米晶受到高能電子束輻照時，納米晶中的Ln (稀土原子)、F、Na原子在與電子碰撞過程中獲得動能后掙脫晶格束縛而發生原子遷移或濺射，進而在納米晶中形成孔洞。由于核殼結構納米晶中核殼界面處存在大量缺陷，當受到電子束輻照時，核殼界面處晶格原子掙脫晶格束縛而發生原子遷移或濺射的幾率顯著增加，因此在該界面及其附近處優先快速形成球對稱的空心結構，最終實現納米晶由實心向中空核殼結構的轉變。該項研究結果表明，基于核殼結構納米晶的界面缺陷調控利用電子束對納米晶進行原子尺度刻蝕是一種原位構筑中空核殼結構稀土上轉換納米晶的行之有效的方法，該方法將為納米器件應用領域中原位構筑特殊結構功能化納米晶提供新思路。
3.資源節約型高性能稀土永磁材料取得進展
2018年10月12日，由沈保根院士為首席的國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)-“資源節約型高性能稀土永磁材料設計和可控制備”項目，順利通過科技部專家組驗收。該項目由“高性能稀土永磁材料制備技術的科學基礎研究”、“高輕稀土含量、高性能稀土永磁材料機理研究”和“新型高性能稀土永磁材料設計和探索”三個子課題組成，分別由朱明剛教授、沈保根院士和饒光輝研究員負責。
該項目在高豐度稀土永磁材料的高性能和耐蝕性研究方面取得突破。Ce替代量為總稀土含量的35%時，其磁能積達超過40MGOe（實驗室水平）；當磁體中Ce占總稀土含量的50%時，其內秉矯頑力達到10.8KOe；獲得“高耐蝕性多硬磁主相Ce永磁體”及產業關鍵技術等多項創新發明，制備出高性能鈰磁體綜合性能(BH)max+Hjc> 63的雙主相燒結磁體；發現Ce含量高的磁體出現了主相被腐蝕而磁性相沒有被腐蝕的電偶腐蝕現象。通過項目的實施和技術推廣，推動全國鈰(或含鈰)磁體產量由項目開始時的800噸發展到超過3萬噸，占稀土永磁總產量的五分之一。
研究了混合稀土-鐵-硼的內稟磁性，證明Ce對飽和磁化強度有貢獻，發現La、Ce共替代有利于Ce 的價態向+3 價遷移，MMFeB具有制備永磁體的必要條件；揭示了快淬MM-Fe-B永磁材料的交換耦合作用和矯頑力機理。
首次測定了La-Fe-B、Ce-Fe-B三元體系以及Nd2Fe14B-RE2Fe14B贗二元合金體系的相平衡，首次獲得了稀土RE-Fe體系的相平衡與熱化學實驗數據自相一致的熱力學參數，構建了稀土RE-Fe-B多組元合金體系的相圖熱力學數據庫，為研究稀土永磁合金成分-組織結構-磁性能的構效關系提供了重要的熱力學依據。
4.柴油車用稀土基SCR催化劑實現產業化
2016年2月24日，包頭稀土研究院與河北華特汽車部件有限公司開始共同開展柴油車用SCR催化劑的研發。2018年1月，稀土基SCR催化劑通過中國汽車技術研究中心的臺架實驗測試，其性能達到并超過國五排放要求；在整車PEMS試驗（包含城市和非城市道路）中，外國品牌釩基催化劑的有效窗口通過率為90%-92%，而稀土基SCR催化劑的通過率是100%。通過各項測試結果看出，稀土基SCR催化劑已成功摘下具有獨立自主知識產權的柴油車用稀土基脫硝催化劑的“桂冠”，此項技術打破了跨國企業在中國的技術壁壘。
2018年9月底成功建成稀土基SCR催化劑的粉體合成中試線，生產規模為每月2.5-3噸粉體。同年，北方稀土、河北華特和北京凱德斯合資組建北方稀土華凱高科技（河北）有限公司，共同建設柴油機用稀土基SCR催化劑及后處理系統項目，計劃于2019年建成年產100 噸SCR催化劑粉體示范線（5萬套/年），2022年建成年產1000噸SCR催化劑粉體生產線（25萬套/年），預計到2023年可以實現500萬升SCR催化劑和200萬升DPF催化劑的銷售，銷售額達3.81億元。
在國五向國六快速推進過程中，合成了具有特殊孔道結構的含鑭、鈰等輕稀土化合物的催化劑，成功突破了國六催化劑的涂覆工藝。目前稀土基SCR催化劑的性能已完全達到國家國六排放標準要求。
5.稀土上轉換納米材料光子動力學精準調控獲得突破性進展
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員孔祥貴、劉曉敏課題組創新地將可控“離子納米分區摻雜”技術和稀土離子延遲激發調控方法與Monte Carlo計算模擬方法相結合，在國際上首次清晰闡述了光子能量在多納米層區域內的吸收、遷移、傳遞及復合的動力學過程，生動描繪了光子能量單次瞬態遷移迅速和“游走”隨機等動力學圖像，實現了光子動力學過程的精準調控，為解決光子上轉換效率低的挑戰性難題明確了方向。
6.稀土電子漿料應用方面取得成果
稀土電子漿料性能遠遠優異于傳統電子漿料。具有智能、遠紅外、高效環保和綠色節能等特點，其電性能、熱性能、磁性能、化學性能、機械性能無可比擬。
廣東匞辰電子科技有限公司根據之前的研究成果，對稀土電子漿料配方技術進一步升級和應用，研發出PTCR-稀土厚膜電路可控電熱元件專利產品。該技術先后獲得了國內發明專利、美國專利、日本專利及歐盟專利。這種智能芯片熱源涉及到的關鍵技術，主要是多品種高導熱系數基板材料構成，專業用于電熱源領域，熱性能穩定，國際上尚處于初期研發階段。2018年，模塊化組合式智能集熱器系統研發成功,該技術應用于智能無膽電鍋爐系列。其升溫快、熱效率高，節能，安全，環保，舒適，體積小巧，安裝簡便。它廣泛適用于太陽能、風能、鋰離子電池、智能家用電器、工業、汽車、能源、電力、軍事等領域及各類新能源領域。
7.極低場磁共振研究獲進展
中國科學院超導電子學卓越創新中心、中科院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室博士董慧團隊，與德國于利希研究中心教授Krause課題組合作，將極低場磁共振成像（ULF-MRI）圖像中±500Hz帶寬內的工頻噪聲干擾抑制85%以上，解決了無屏蔽或簡易屏蔽ULF-MRI成像的固有工頻噪聲干擾問題，向實現低成本可移動式MRI系統邁出了堅實的一步。
磁共振成像（MRI）技術已成為臨床醫學診斷不可或缺的手段之一。目前主流臨床MRI系統典型場強為1.5和3.0特斯拉，造價昂貴且對使用環境要求苛刻。ULF-MRI的工作場強比傳統MRI低4個量級，具有系統簡單、造價低廉、對金屬不敏感的特點，且無需造影劑即可獲得腫瘤與正常組織的本征T1對比度，近年來受到廣泛關注和研究。然而來自電網的工頻諧波噪聲會在ULF-MRI圖像中引入帶狀偽影。這些偽影將跨過樣品圖像，嚴重破壞成像質量，影響信噪比。該研究以超靈敏磁傳感器——超導量子干涉器（SQUID）作為信號檢測探頭，基于工頻諧波噪聲的空間相關性，從傳感器硬件構型和去噪算法設計出發，提出ULF-MRI工頻諧波干擾的動態抑制方法。該方法的提出有助于降低系統對環境磁場的要求，為后續開展可用于日常普檢的低成本移動式MRI系統研究奠定堅實基礎。此方法可推廣到采用傳統線圈探測的地面磁共振成像、超極化磁共振成像等領域具有應用潛力。
8.多自由度復用的多功能固態量子存儲器研制成功
中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子存儲領域取得新進展，研制出多自由度并行復用的固態量子存儲器，在國際上首次實現跨越三個自由度的復用量子存儲，并展示了時間和頻率自由度的任意光子脈沖操作功能。
由于不可克服的光纖信道損耗，目前地面安全量子通信距離被限制在百公里量級。基于量子存儲器的量子中繼方案可以有效克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離，所以量子存儲器是未來長程量子通信和量子網絡的核心器件。量子網絡實用化的關鍵指標是通信速率，而多模式復用量子存儲器可以極大地提升量子網絡的通信速率。對于經典的存儲器，如硬盤或者優盤等，其一個存儲單元一次只能存儲一個比特。而對量子存儲器，由于具有量子相干性，其一個存儲單元可以一次性存儲大量的量子比特，這就是復用的概念。原則上對量子存儲器的各個自由度都可以進行復用。
近年來，李傳鋒研究組一直致力于基于稀土摻雜晶體的復用量子存儲的實驗研究。2015年首次利用光子的空間自由度實現復用量子存儲，存儲維度數達到51維，至今保持固態量子存儲維度數最高水平，復用時，可以把每一維作為一個模式，那么空間自由度就有51個模式。同年，利用光子的時間自由度，實現了100個模式的確定性單光子量子存儲，至今保持復用固態量子存儲的模式數最高水平。
為了進一步提升量子存儲器的復用能力，研究組創新性地采用多自由度并行復用的存儲方案。比如在第一個自由度有M個存儲模式，第二個自由度有N個模式，第三個自由度有P個模式，則量子存儲器的總復用模式數為各個自由度模式數的乘積，即M*N*P。研究組選擇光子的時間、空間和頻率自由度進行并行復用，在國際上率先實現了跨越這三個自由度的復用量子存儲。實驗中采用了2個時間模式、2個頻率模式、3個空間模式，總模式數達到2*2*3=12個，實驗結果展示了多自由度并行復用量子存儲的可行性。這種提升量子存儲模式數的新方法，將在量子網絡和量子優盤的研究中具有重要應用。
在多模式復用的長程量子通信中，兩個中繼節點的工作模式可能各不相同，為了能夠執行進一步的糾纏交換，不同的中繼節點必須把工作模式變換到同一模式，這就需要模式變換功能。研究組巧妙地設計存儲方案和存儲裝置，展現他們的多自由度復用量子存儲器在時間及頻率自由度具備任意模式變換功能。
研究組還進一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實驗結果表明，在所有這些操作過程中，光子攜帶的三維空間量子態都保持了約89%的保真度。該存儲裝置可以實現Knill-Laflamme-Milburn型量子計算所需的所有操作，所以該成果還有望在線性光學量子計算等領域取得更多的應用。
9.中國首臺永磁直驅電力機車下線
2018年11月1日，擁有完全自主知識產權的永磁直驅大功率交流傳動電力機車在中車大同公司正式下線，這是我國首臺采用永磁和直驅技術的大功率交流傳動電力機車。
永磁直驅電力機車是我國繼“快速客運電力機車”和“重載電力機車”之后，在交流電力機車領域又一新的突破，機車總效率將提升3%以上，每小時可節約電能200度，并具有維護成本低、綠色環保、靜音等顯著特點。同時，永磁直驅電力機車采用了直接驅動輪對技術，取消了傳統的傳動齒輪箱，結構簡單，不僅有效降低機械能耗損失，驅動系統部件維護周期更是長達200萬公里左右，為用戶節省大量維保費用，產品綜合經濟效益優勢顯著。
10.各向同性耐熱粘結磁粉榮獲中國專利獎等多項獎勵
2018年，有研稀土開發的各向同性耐熱稀土粘結磁粉制備技術及產品相繼獲得第二十屆中國專利優秀獎、第五屆北京市發明專利二等獎和中國稀土科學技術科技進步二等獎。
稀土粘結磁性材料以其高磁性能、高形狀自由度、凈終成型等特性，特別適合微特電機的應用，使電機更加節能、高效。隨著新能源汽車、節能家電、智能機器人等下游應用的快速發展，急需高綜合磁性能、高熱穩定性各向同性粘結磁粉。
基于此，有研稀土成功開發出各向同性耐熱稀土粘結磁粉關鍵制備技術，解決了現有納米晶粘結磁粉在復雜服役環境下的熱穩定性問題，實現磁粉的綜合磁性能與熱穩定性同時提高。目前公司已成功開發出十余種高性能各向同性稀土粘結磁粉牌號，擁有年產1000噸的稀土粘結磁粉生產線，產品批量供應給國內外高端粘結磁體生產客戶。